RTK 三维水深测量质量因素及其验证

胡志渠

(中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300220)

引言

RTK 三维水深测量实质是RTK 测量和水深测量相结合的测量模式，其主要质量因素由GPS RTK测量和水深测量各自相应的技术要求决定。RTK 测量通常使用的高程基准面和水深测量使用的深度基准面不相同，测量时需要对基准面进行统一。由于GPS 控制网通常布设在陆域，无法覆盖海域，在海上进行RTK 测量通常存在GPS 控制网外推精度验证问题。RTK 平面精度一般情况下能够满足水深测量定位精度要求，高程精度是否能够满足水深测量规范的要求，需要经过现场验证，这对于海上RTK 测量的使用范围受到了一定约束。

1 RTK 三维水深测量与传统水深测量对比

RTK 三维水深测量是否可行关键看其测量精度是否能够满足水深测量规范要求。其中与传统水深测量质量因素对比分析见表1。从表1 中可以看出RTK 三维水深测量的优点就是无需进行测量船舶吃水测定，无需进行波浪处理和潮汐改正，能够大大提高作业效率。

表1 RTK 三维水深测量与常规水深测量对比表

2 RTK 测量

RTK 定位技术是全球卫星导航定位技术与数据通信技术相结合的实时动态差分定位技术，基准站通过数据通信技术将导航卫星观测值和测站坐标信息一起发送给流动站，流动站接收到基准站的数据，结合其同时采集的导航卫星定位观测数据，在系统内组成差分观测值进行实时数据处理，实时给出厘米级的三维定位结果。RTK 定位技术的误差来源主要是整个卫星导航定位系统和差分电台的数据传输技术。目前通过使用大功率电台或者是GPRS 来传送数据信号能够轻松解决40 km 以内的覆盖范围。卫星导航定位技术已经很成熟，只是在使用RTK 定位时，要实现不同坐标系统下的坐标转换是RTK 测量技术的一个关键问题。

RTK 测量坐标系统转换的方法通常有四参数转换法和七参数转换法。坐标转换的精度主要取决于控制点的覆盖范围和坐标精度。通常在控制点范围内使用参数转换坐标精度较高，在控制点范围外使用参数转换坐标的精度需要根据实际验证情况来确定。海上水深测量区域往往是在控制点范围外，属于外延型，需要对RTK 外延后的测量精度进行验证并合格后才能使用。

3 水深测量

传统水深测量方法是使用水准测量方法计算得到水尺零点高程，使用回声测深仪测出水面到泥面的距离，通过同步观测水尺水位来改正测深数据，从而得到泥面高程。水深测量误差来源主要有水位误差、测深标称精度、声速误差（包括水体声速不均匀）、波浪影响（船舶姿态）、吃水误差、定位延时误差、海底底质差异产生的误差、测深波束角及海底地形起伏的影响、船速效应。其中水位观测误差、声速误差、吃水误差、波浪影响的偶然性比较大，人工参与环节多，容易对后续水深数据处理质量产生影响。

4 RTK 三维水深测量验证

4.1 验证依托工程概况

江苏洋口港海域地处长江口以北，离岸约12公里，海区潮差大潮流急，海底地形变化复杂，非常适合验证RTK 三维水深测量。从2006 年洋口港建设开始至今，对洋口港海域持续进行了20 多次的定期水深测量，积累了丰富的RTK 三维水深测量数据和经验。水深测量区域覆盖面积320 km2。测区东西长34 km，南北宽12 km，测量比例尺包括1∶10000、1∶5000、1∶2000、1∶500，测量方式包括单波束和多波束水深测量，测区最远点在航道东端头，距离阳光岛RTK 基准站24 km，阳光岛RTK 基准站距离陆地12 km。测区范围见图1。为了保证水深测量的精度和可对比性，固定每期水深测量的断面线，同时采用RTK 三维水深测量和传统水位控制的方法进行水深测量及数据处理。水深数据处理时采用1985 国家高程基准面。

4.2 验证过程

1）GPS 控制测量及坐标转换七参数求解

为了保证工程质量，本项目在定期水深测量前期按照C 级GPS 控制网技术要求进行了控制测量，陆域布设三个GPS 点，在距离陆地12 公里的洋口港阳光岛布设1 个GPS 控制点（见图1 所示），GPS 控制网最长边长19 km，最短边长9.2 km，平均边长13.7 km，项目使用1954 年北京坐标系。各个控制点高程按照三等水准测量技术要求进行了联测。在GPS 网平差后求取了坐标转换布尔莎七参数（WGS84 坐标向1954 年北京坐标转换）。

2）坐标转换七参数精度验证

为了确定转换参数的精度和可靠性，我们进行了实测检查。RTK 基准站布设在岸边B04 点，检查点分布在控制网区的中部、边缘和控制网区外三个区域（包括两个临时潮位观测站点）。陆域检查点位置示意图见图1，实测检查结果见表2。

表2 RTK 实测检查结果表

图1 测区、实验范围及点位示意图

3）RTK 三维水深测量验证

按照图1所示意的水深测量范围和GPS网控制范围，分GPS 控制网范围内和GPS 控制网范围外延区域进行RTK 三维水深测量与验潮水深测量实测比对。外业施测RTK 三维水深测量和验潮水深测量同时进行，即在RTK 三维水深测量的同时进行水位观测。测量时GPS 天线和换能器安装在同一测深杆上，精确量取GPS 天线至换能器的距离S(保持在3 m 左右)，同时量取换能器吃水C。测量时保持6 节船速。具体安装和量取位置见图2。

图2 RTK 三维水深测量仪器安装示意图

测量时基准站严格按照规范要求设置，设置移动站GPS 输出数据更新率为5 Hz，测深仪按照20 m间隔定标距离进行记录，只记录RTK 固定解。实测并计算测深改正值、GPS 延时、动吃水。在进行验潮水深测量数据处理时先对水深数据进行手工消除波浪处理，然后按照双站或者三站水位进行改正。在进行数据对比时保持水深点采集位置相同，统计二者的水深数据结果见表3、表4。

表3 RTK 三维水深与验潮水深差值对比表（外延区）

表4 RTK 三维水深与验潮水深差值对比表（范围内）

根据表3 和表4 统计水深较差在±20 cm 内点数占总数比均大于95 %，可信度高。个别点较差值大，其原因来自消浪处理产生的误差。而RTK 三维水深测量数据处理则避免了上述影响。在GPS 控制网范围内和外延区域使用RTK 三维水深测量没有发现明显的区别，说明在保证满足GPS 控制网七参数的正确性和RTK 高程测量的规范要求后，完全可以使用RTK 三维水深测量。

5 RTK 三维水深测量质量控制

根据以上验证过程及成果，总结出RTK 三维水深测量时候的质量控制需要遵循以下几点：

1）需要有一定控制范围的坐标转换七参数，且高程拟合精度要满足规范要求。

2）按照规范要求的RTK 测量条件严格控制操作过程，进行必要的RTK 检查验证工作。

3）RTK 三维水深测量适合固定基准面（如85国家高程基准、日照港理论最低潮面等）的水深测量，对于使用当地理论最低潮面的水深测量，必须通过验潮来确定基准面的变化量（相对于平均海平面）并进行相应的基准面改正。

4）GPS 天线和换能器应安装在换能器杆两端，且距离不宜过长（宜控制在3 m 以内），过长的天线容易引起RTK 高程和平面位置产生较大误差。

5）RTK 三维水深测量为全数字水深测量，GPS定位坐标输出频率5～10 Hz（规范要求更新频率不低于10 Hz，根据目前国内常用测深导航数据采集设备的性能，难适用到10 Hz，高了容易引起数据无规律的拥堵），且应该进行延时检查校准。有条件的可以采用带有1PPS 输出的GPS RTK 和相应数字测深系统及数据采集软件来解决延时问题。

6）水深测量时应该间隔2 小时对RTK 流动站进行一次初始化。RTK 三维水深数据处理时应当检查RTK 水位是否存在异常。测量过程中确保流动站始终保持固定解，如果卫星或差分信号失去锁定时间过长，应立即停止测量。

7）RTK 三维水深测量的有效范围还与RTK 差分信号的作用范围密切相关，根据经验，目前常用RTK 差分电台通讯距离在海上15 km范围内能够保持稳定。如果增高基准站差分天线的高度和差分电台的功率可以增加RTK 差分电台的通讯距离，最远可达到30 km。但是在GPS 控制网外推距离越远处的高程精度越难保证，应适当控制外推距离，宜控制在20 公里以内。

8）利用Cors 站信号进行RTK 三维水深测量，在陆地距离无限制，但是在海上网络信号差，容易失锁，有效作用范围小。

6 结语

通过工程现场的实际应用和研究分析，总结出了RTK 三维水深测量质量控制关键点（质量因素），在今后的RTK 三维水深测量工作中，使用以上工程经验，可合理安排测量内、外业工作，细化作业过程，既能节省时间又能保证工程质量，既提高了工作效率又能节省生产成本，未来的经济效益切实可待。同时经过工程项目的实地验证和总结，为今后继续补充完善RTK 三维水深测量的规范内容提供了切实的依据，为行业的科技进步和持续发展提供了基础支持。